如何摧毁太阳,然后带着地球流浪
2020-09-16 19:00

如何摧毁太阳,然后带着地球流浪

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧,题图来自:电影《流浪地球》


今天是太空旅行三部曲的最后一部。


2019年专业期刊《宇航学报》发表了一篇推着太阳畅游宇宙的构想,颇为严谨,让人忍不住想东施效颦,为同样宏大构想的“流浪地球”做个注解。


先端正态度,拍好马屁。大刘是非常优秀的科幻作家,他的作品有宏大的视野和深刻的人性,尤其是《三体》,诚心推荐!不过,科幻作家属于文学家,追求的不是科学严谨,本僧勉强算一个科普写手,看着科幻巨著的漏洞难免手痒,纯粹从科学角度修缮一下故事情节。


太阳氦闪


首先是这个大背景:太阳突然要爆炸,地球必须要流浪。


恒星演化研究算是比较成熟的,太阳命运基本都被算命先生定好了,没有外来因素,很难发生意外。太阳氦闪这么重大的事情,自然早在日程表上了。


赫罗图上的太阳演化过程


氦闪大概是这么回事:


恒星凭借引力把氢拧成氦,依靠聚变维持平衡,但随着氢不断消耗、氦不断累积,问题就来了。因为恒星内部只够满足氢聚变,并不满足氦聚变,于是,聚变反应逐渐减弱,核心体积开始收缩。


体积一收缩,内部压力就变大,堆在中心的氦就被压缩成简并态。这个简并态是氦闪的关键,可以理解为电子被压缩到没地方挪动了,像是一个超级高压锅。


如果恒星质量低于0.8倍太阳质量,那么这个高压锅就永远这么的了,俗称白矮星,因为成分是氦,也叫氦白矮星。


如果恒星质量高于2.0倍太阳质量,那么在变成高压锅之前,内部压力就足够把氦原子拧成碳原子。一旦提前发生氦聚变,能量得到补充,恒星就会停止收缩,这一轮氦闪就算躲过去了。若干年后继续挑战下一轮碳闪,挑战失败就成为一颗碳白矮星,大名鼎鼎的砖石星就是此类。


如果恒星质量在0.8~2.0倍太阳质量之间,那就麻烦了,在变成高压锅之前,内部压力不足以发生氦聚变,在变成高压锅之后,内部压力还能继续压爆这个高压锅。


这个高压锅被压爆的一瞬间,氦聚变被点燃,这种失控的反应剧烈而短暂,称之为“氦闪”。


以太阳的质量来看,显然躲不过氦闪,但氦闪并不是地球人需要担心的。因为氦闪发生在红巨星阶段末期,在氦闪之前,长达10亿年的红巨星阶段就已经把地球折腾黄了。


总而言之,以氦闪作为带地球流浪的理由,不够科学。


谋杀太阳


如果太阳好好的,流浪地球的动机就不存在了,所以必须要把太阳给灭了。但很可惜,谋杀太阳是件非常棘手的事情。


场景一:系外行星闯入太阳系


就算八大行星一起撞太阳,不过就是溅起几朵小日珥而已,对人类是灾难,对太阳也就挠挠痒。至于扔氢弹什么的,就别丢人现眼了,太阳本身就是一颗超级大氢弹,连它自己都没把自己炸掉。如果非要往太阳上丢东西来摧毁太阳,那至少得扔进去一个恒星,而恒星相撞可以提前N年预测,没有突发性,这路子走不通。


场景二:大质量超新星爆炸


躲避超新星爆炸确实是一个不错的理由,但推动地球显然不如推动太阳更合理,具体方法参见上篇《戴森球》,这路子也走不通。


场景三:外星人


偷个懒,让外星人摧毁太阳怎么样?那就没必要流浪了,结了这么大的梁子,人家肯定得斩草除根,这路子更走不通。


顺便较真一下,小说里用光粒打击恒星的原理是:把一个小球加速到接近光速,根据相对论效应,小球质量可以增加到恒星的几分之一,这种打击相当于两颗恒星相撞,从而摧毁目标恒星。


这原理当然没问题,但相对论还告诉我们,质量达到恒星级的小球,动能也是恒星级的,它同样符合质能守恒定律。换句话说,要把小球质量增加到恒星级,需要恒星级的能量来加速,这能量从哪里来?



说实话,在现有理论之内,地球想到太阳系外面溜达,确实没什么好理由。不过,现有理论再往前走一步,就有一个不错的机会。


大质量恒星演化到最后,会被引力硬生生挤成一个点,变成黑洞。也就是说,强大的引力意味着黑洞。根据相对论,引力和加速度是等效的,引力能干的事情,加速度同样可以干。


我们无法创造强大的引力,但可以创造强大的加速度,比如高速粒子碰撞的瞬间,对撞粒子的速度从近乎光速急剧下降,这加速度妥妥的天文数字。强大的加速度很可能意味着黑洞。


所以这个故事可以这么写:


人类掌握核聚变之后,围绕太阳建造了一台超超超级对撞机,把粒子加速到无限接近光速,结果一不小心,把几个粒子撞成了黑洞。现有理论认为,这个直径远远不到1纳米的迷你黑洞,会在极短时间内通过霍金辐射衰变成各种粒子。


但是,各位注意了,但是,霍金辐射到底靠不靠谱,科学家的共识是:尚待验证!


于是,我们就有了遐想的空间:假设迷你黑洞可以稳定存在,而且能不断吸收各种辐射,逐渐壮大,预计400年后开始吞噬太阳系。


终于,咱们有理由带着地球去流浪了。


不识地球真面目,只缘身在地壳中


太阳那边的事情安排得差不多了,接下来看地球这边。


人类对地球结构的研究主要通过地震波,目前没有太多确定性的结论,只有一些笼统的判断。地球由外往内依次是地壳、上地幔、下地幔、外地核、内地核。



地壳的厚度从几公里到几十公里不等,平均17公里,仅占地球质量0.4%。


这0.4%就是目前为止人类在地球上的全部活动范围。七大洲四大洋,江河山川,动物植物,还有200万年的人类历史,全在这0.4%里,所以很多人潜意识里会把这0.4%当成地球的全部。


比如,下面这张流传很广的地球脱水图,看第一眼时只有震撼没有质疑。但回头想想,太平洋平均深度只有4公里,而地球直径有1.2万公里,就算把水抽干了,再算上珠穆朗玛峰,地球也绝对比篮球更光滑。



真实的地球结构听着有些慌……


板块构造学说,把薄薄的地壳分成六大板块,亚欧板块、非洲板块、美洲板块、南极洲板块、印度洋板块、太平洋板块,还有诸多小板块,这些薄片全都飘在软流圈上。


所谓软流圈,顾名思义,高温高压让这里的物质以半粘性状态缓慢流动,在地下60~250公里之间,位于地幔的中上部。软流圈虽然不是液体,但有一定的流动性,甚至和大气层一样有对流运动,于是咱们的六大薄片就能在上面移动,这是大陆漂移学说的重要依据。


顺便说一下,地球是目前所知的唯一适合板块构造学说的行星,据说这是生命进化的必要条件,因为板块运动带来了丰富的地质活动,火山地震之类的,促进了碳循环。



包括软流圈在内,地下33公里到2900公里都属于地幔,成分以硅酸盐、金属氧化物等为主,占地球质量68%,很大程度上决定了地球性质,对各种地质活动有决定性影响。


根据地震波传播的不同,地幔分为上地幔和下地幔。越往下温度越高、压力越大,下地幔的压力可以达到130万大气压,相当于世界最大锻造机工作压强的1000倍,天天被这么个大家伙捶,其致密程度可想而知。


因为高温的关系,地幔虽是固体,却有类似沥青一样半流动的可塑性。没错,沥青是可以流动的,不信的小盆友可以搜索持续了快一百年的沥青滴漏实验。


所以,如果持续压着美洲大陆推地球,薄薄的大陆板块不是被压碎了,就是被摁进地幔里了。这就好像大卡车与沥青马路,偶尔跑几趟没啥关系,若长年累月跑,沥青马路铁定被压出坑。



再往里的2900公里到4700公里之间是液态的外地核,虽然是液体,但压力有150万~300万大气压,这都快赶上一般原子弹爆炸时的中心压力了,也就是说,单纯靠原子弹爆炸的冲击波,都不一定能在这滩水里掀起浪花……


再经过400公里的过渡层,就是直径1200公里的内地核。内地核主要是铁镍合金,因为压力超过350万个大气压,所以在五六千度的温度下还能保持固态。


内外地核共占地球质量31.5%,妖孽一般的存在!



话说回来,研究地球结构主要就是分析地震波的横波和纵波在不同物质中传播的差异,外加重力场、电磁场之类的辅助,这准确度还不如老中医把脉……所以这些结论嘛,看个大概就好。


改造地球


这样的结构,显然不利于我们推动地球,得改。改造关键是让上地幔中的软流圈变坚固,整个工程分三步走。


第一步,改性加固。


上地幔是成分复杂的混合物,因此可以将密度大、熔点高的改性硅酸盐,熔化后灌入上地幔,挤出原先熔点较低的杂质。但是就我们地面上这点高原山川,全灌到软流圈里,也不够塞缝隙的,这事儿在地球上怕是办不成了。


俗话说的好,举头望明月,低头思故乡,抬头看看月球,低头想想地幔。月球的主要成分就是硅酸盐和各类金属氧化物,刚好可以作为改性原料,熔化后灌入地幔里。反正推走地球的时候,迟早要把碍事的月球处理掉,还不如化成灰一起带走。月球不够的话,还可以去火星再刨点,肯定管够。


当然,月球熔化消失后,地球的动静可不小,毕竟哥俩相处几十亿年了,要提前做好应对。



第二步,降温冷却。


硅酸盐改性之后,上地幔稍微再降一点温度,就能凝固成坚硬的固体,冷却时控制好应力,类似于钢化玻璃原理,可以适当增强地幔的抗压强度。


但是,地球已经冷却46亿年了,还滚烫滚烫的,有什么办法可以快速降温吗?


热棒技术,也不算新鲜玩意儿了,青藏铁路在冻土地区修建时,为了防止冻土融化破坏路基,采用热棒技术把热量从地下传到大气里。


神奇的热棒其实就是中空管,里面加了导热液体,一头插地下,一头露地上。当冻土温度升高时,管子底部的液体气化上升,到顶部遇冷液化释放热量,然后流回底部,如此往复,降低冻土温度。


这种原理传递热量非常迅速,在其他领域也有应用,本僧第一次遇见时差点被惊呆了!



地幔温度下降后,地核的热量就会加速向外传递,计算地球重新稳定后的温度分布,要用到《数理方法》,这门课是大学物理的四大天书之一,瞧瞧球坐标下的导热微分方程:



本僧看着公式掐指一猜,假设软流圈彻底凝固,则地球整体温度下降50度,释放的热量折合1000亿亿吨标准煤。这个数据真的完全靠猜,计算实在太复杂了。)


第三步,回收+散热。


如果这么多热量直接散到大气层里,地球就要变蒸笼了,地热能可是好东西,不能浪费,得寻个好去处。比如,熔化月球需要400亿亿吨煤,加上运输和损耗的能量……估计就差不多了。


但根据热力学第二定律,不能从单一热源吸收热量使之完全转换为有用功,所以,大气层热量不可避免会增加,这些都得弄到太空去。


很多人以为太空这么冷,散热肯定很容易,可别忘了温度的本质是什么,真空环境不会热传递,热量只能以辐射的形式散热。


例如,国际空间站,竖着的是太阳能板,很眼熟,横着的白色板子,眼生吧?这是专门散热的散热片,热量被带到这些板上,再以红外线的形式释放到太空。



等行星发动机一开机,散热就成了头等大事,为此,本僧想到了一石三鸟的好主意:在50公里的高空修建一堆散热片,像玻璃罩一样把整个地球大气层包裹封闭起来。其作用有三:


第一,散热,面积不够的话可以继续向上延伸。


第二,屏蔽太阳光,控制地球和外界的能量交换,使地球成为一个独立的封闭系统,提前适应没有太阳的生活。


地球每秒从太阳薅到的能量是1.7加17个0,其中30%直接反射回太空,剩余70%用来保持大气和地表温度,支持大气圈与水圈的运行,提供植物光合作用,补充地球对外辐射的损耗等等。如果地球按这个模型自己提供能量,持续一百年的能耗仅占地球氢聚变能储量的亿分之一,这点开销当然没问题。


第三,行星发动机喷出的是粒子,如果任由粒子风这么吹,大气层肯定被吹得干干净净,地球表面就成真空了。所以,可以这么的:发动机喷口伸到50公里以上,同时还可以作为散热片的支柱,由散热片构成的巨大罩子能保护50公里以下的大气层不被吹散。


有了大气层和能源,人类就可以保持现有生活方式,毕竟咱都已经掌握核聚变了,生活当然不能太寒碜。


逃逸速度与地球停转


接下来讨论一下地球以何种姿态离开太阳系,这涉及逃逸速度的计算,虽然这事牛顿时代就已经解决了,但现在还是有很多人不理解。


比如,地球的第三宇宙速度是16.7km/s,但实际上地球的公转速度是30km/s,为啥地球没把自己甩出太阳系呢?


第三宇宙速度的完整表述应该是这样的:在地球附近,飞行器顺着地球公转方向的速度增量达到16.7km/s,飞行器就可以依靠惯性飘出太阳系。


这几个条件缺一不可!比如,到了海王星轨道,只要7km/s就能飞出太阳系。再比如,若飞行器能持续加速,那就不存在第三宇宙速度的问题,哪怕是乌龟速度也一样可以爬出太阳系。


但因为离子发动机推力太小,化学发动机只能短时间工作,所以,发射飞行器更像是站在地球上向太空扔石头,扔出手的初速度就决定了石头能飞到什么地方,只有扔得足够快,才能克服地球引力和太阳引力,飞出太阳系,这就是第三宇宙速度。



300年前的课补得差不多了,所以地球能选择的路只有两条。


第一,直线加速走人。


太阳对地球的引力是3.5加22个0,只要你的发动机推力大于这个数,就可以直接拎着地球按直线加速走人。


一旦零多了,对数字就没啥概念,这么说吧,如果把这个力平均分到1万台发动机上,那发动机对地面的压力,能把地球打个对穿。直白地说,想直线加速走人,没门。


第二,绕圈甩出。


在地球轨道上,只要绕太阳转圈的速度达到42.1km/s,就可以甩出太阳系,地球现在的绕圈速度是29.8km/s,只要再增加12.3km/s就搞定了。解释一下为啥不是16.7km/s,因为地球飞走不用克服地球自己的引力,只需克服太阳引力,所以可以稍微慢些。


这道理和嫦娥登月一样,嫦娥没法走直线到月球,而是不断加速,一圈一圈甩到月球。



那么这就有个问题了,地球绕着太阳转圈,加速方向就得实时变化。如果把地球自转弄停了,发动机喷口就只能朝一个方向,显然不妥。



理论上,加速方向应该沿着红线轨道,在左边的时候朝右边加速,在右边的时候朝左边加速,但如果地球停止自转,那发动机喷口就只能朝一个方向,非常不便。


所以发动机布局不应该只在地球一侧,而是应该平均布满整个地球,4公里的太平洋水深,对于50公里高的发动机当然也不在话下。地球停转完全没必要,各发动机随地球转到特定方向后轮流开机即可。这样布局还有两个好处:


第一,受力均匀,有利于地球保持原有结构。第二,万一太空旅途中遇到紧急情况,转向更为迅速。


不过有一个不是问题的问题,地球表面立着密密麻麻高达50公里的行星发动机,从外形上看,有点像最近流行的冠状病毒啊!



发动机首选聚变直喷发动机,至于聚变原料嘛,重元素先放放,连恒星的氦聚变都这么费劲,咱们地球人就别太过分了,就折腾氢吧。


假设我们的目标是100年内加速到逃逸速度,即把地球公转速度增加12.3km/s,则需要推力2.3加19个0。聚变直喷发动机的喷口速度为十五分之一光速,则每秒需要喷射12亿吨燃料。


从质量上说,100年累积消耗地球质量的0.06%,这个败家速度还行。从能源上说,聚变发动机的动能效率按25%计,则仅需1年就能清空地球上水以外的氢储量,这个速度实在太败家了,剩下99年可咋办!


好在木星土星七八成都是氢,地球还在太阳系内加速的时候可以使劲薅。可一旦离开太阳系,就算把太平洋大西洋都抽干了当油箱,全部填满液氢也只能坚持两年。


没办法,只能把木星这个燃料罐带走了,但木星质量是地球的三百多倍,能成吗?其实,这事儿比推地球还简单。


《宇航学报》上推动太阳的恒星发动机叫卡普兰推进器,从上篇介绍的原理来看,用这个推进器推动气态行星就像电风扇吹气球一样方便,因为去行星表面薅氢气的时候完全不用担心高温。


甚至都不用对木星做任何改造,直接造一堆卡普兰推进器,对着木星吹就行了。木星的氢储量足够地球发动机和卡普兰推进器使用10万年,这才是满满的安全感啊!



既然推动木星这么容易,本僧还想到一个艺高人胆大的操作:利用木星对地球的引力,把地球变成木星的卫星,让木星牵着地球飞,主动力由木星的卡普兰推进器提供,地球发动机只要控制好地木距离即可。万一有彗星撞过来,木星凭借强大的引力还可以为地球遮风挡雨。


这样一套地木系统,即便没有补给,仍可以在太空流浪十万年,按五万年加速五万年减速计算,十万年至少可以飞60光年。在太阳系方圆60光年内,有几百个恒星可供我们探险,找点补给应该不会很难。


去哪儿


如果太阳意外成了黑洞,引力并不会增加多少,短时间内对离太阳最近的比邻星距离4.22光年)不会有影响。所以地球人到了比邻星后,时间还是很充裕的,至少几万年内,太阳黑洞不会追杀过来,可以安心休整。


比邻星至少有一颗行星,质量和体积比地球稍微大点,随便花个几百年时间改造改造,再繁衍出50亿人,准备妥当后,地球人就可以推着2颗行星再次出发。


比邻星所在的半人马座三星就是小说《三体》里三体人的家乡,有三颗太阳,所以就有了下面这个段子……



下一站是第二近的巴纳德星,距离6光年,那边刚发现了一颗超级地球,比地球大数倍的行星,改造后容纳100亿人不成问题,再搜刮一番,几百年后就可以推着3颗行星继续飞行。


方圆30光年内,人类已发现五六十颗系外行星,都别浪费了。还可以把喜欢浪漫的人凑出一个星球,去曾经地球夜空中最亮的星,8.6光年外的天狼星。



等地球人推着这五十多颗形似冠状病毒的球撒向宇宙的时候,本僧担忧多年的人类灭绝问题,总算可以缓一缓了。


本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧

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